【论文阅读】Scaling Laws for Neural Language Models

前言

• 本文简要介绍 Scaling law 的主要结论
• 原文地址：Scaling Laws for Neural Language Models
• 个人认为不需要特别关注公式内各种符号的具体数值，而更应该关注不同因素之间的关系，比例等

Summary

• Performance depends strongly on scale, weakly on model shape

  • scale: 参数量 $N$, 数据量 $D$, 计算量 $C$
  • shape: 模型深度，宽度，self-attention head数目等

• Smooth power laws： $N,D,C$ 三个因素中，当其他两个不受限制时，模型性能与任意一个因素都有 power-law relationship

  

• Universality of overfitting：只要我们一起增大 $N$ 和 $D$， 性能就会可预测得提高。但是当其中一个被固定，另一个在增加时，性能就会下降。二者比例关系大致为 $N^{0.74}/D$，这意味着，每次将模型增大8倍，只需要将数据量增大6倍来避免性能下降（过拟合）

  

• Universality of training：在模型参数量不变的情况下，模型的表现是可以预测的。通过对早期的训练曲线进行推断，就能粗略估计训练更长时间后模型的表现

• Transfer improves with text performance：当在分布不同的文本上评估模型时，结果与在验证集上的结果密切相关，损失的偏移量大致恒定。这说明用验证集的结果来作为评估指标是合理的

• Sample efficiency：大模型能在更少的step内，更少的数据（图4）上达到相同的性能

  

• Convergence is inefficient：当计算量固定时，但是模型大小和数据量没有限制时，大模型在得到最佳性能时，还远远没有收敛。最大训练效率训练比训练小模型到收敛是更 sample efficient的，数据需求随着计算量增长比较慢 $D\sim C^{0.27}$

• Optimal batch size: 最好的batch size与loss有 power-law 关系，也受到梯度噪声规模的影响

总的来说，LLM的性能随着模型大小，数据量和计算量的增大平滑，可预测地提升

Summary of Scaling Laws

当性能只受除了embedding层之外的模型参数N, dataset size D, compute budgec C_min三者之一限制时，自回归的 Transformer 模型的 test loss是可以用一个 power-law预测的。

• 模型参数受限时：

  

• 数据量受限时：

  

• 计算量受限时：

  • 

  

power-law ${\alpha }_N,{\alpha }_D,{\alpha }_C^{min}$ 代表当我们增加模型参数，数据量，计算量时模型性能提升的程度（越大越好）， $N_c,D_c,C_c^{min}$的具体值没有实际意义

• 这里看到，提升数据量提升最大，其次是模型参数，最后才是计算量

batch size与模型在测试集上的表现 $L$ 之间有一个 power-law

• 模型参数和数据量的公式结合起来看，可知，当增大模型参数时，应该以$N^{\frac{{\alpha }_N}{{\alpha }_D}}\sim N^{0.74}$ 的比例增大数据量，这里有一个将二者结合的方程（图4.左）：

  

• 在有限的更新步数 $S$ 下，test loss与 $N,S$ 的关系为（图4.右）

  

  • $S_c\sim 2.1\times 10^3,{\alpha }_s\sim 0.76$
  • $S_{min}(S)$ 是最小的可能的优化步数

当计算量 $C$ 有限，其他因素不受限时，最佳的 $N,B,S,D$ 与 $C$ 的关系是

• 计算量增大时，最应该增大的是模型大小，而不是训练时间和数据量，这也说明，当模型变大时，其更加 sample efficient（用没那么大的数据量可以训出很大的模型）
• 然而实际上，由于硬件限制，人们通常将小模型训练更长的时间而不是追求 compute-efficient